JP2005241070A - コンプレッサの運転制御方式及びこれを有する空気調和装置 - Google Patents

コンプレッサの運転制御方式及びこれを有する空気調和装置 Download PDF

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Abstract

【課題】 冷暖房運転中に適宜冷凍機油の偏在を解消し、この偏在による性能低下を防止して高効率の運転を実現し得るコンプレッサの運転制御方式を提供する。
【解決手段】 空調空間5の室内温度Taと設定温度SPとの偏差e1を減少するように制御部21を介してコンプレッサ1の回転数を制御するとともに、液面センサで検出した各コンプレッサ1、2に貯留されている冷凍機油の液面の差に応じてこの差が減少するように制御部24を介してコンプレッサ2の回転数を制御するようにした。
【選択図】 図2

Description

本発明はコンプレッサの運転制御方式及び空気調和装置に関し、特に複数台のコンプレッサで冷媒を圧縮する場合に適用して有用なものである。
図4は従来技術に係る空気調和装置の一例を示すブロック線図である。同図に示すように、当該空気調和装置は、2台のコンプレッサ1、2を有しており、広い範囲の負荷変動に対処し得るように構成してある。このように、2台のコンプレッサ1、2を有する点が特徴ではあるが、基本的な構成は一般的な空気調和装置と同様である。
すなわち、図4に示すように、当該空気調和装置は室外3に設置される室外機4と空調空間5である室内に設置される室内機6を有している。冷房時には、室外機4が凝縮器として機能するとともに、室内機6が蒸発器として機能し、暖房時には、逆に室外機4が蒸発器として機能し、室内機6が凝縮器として機能する。ここで、冷暖房運転の切り換えは、冷媒の流通方向を四方弁7で変更することにより行う。図中実線の矢印で冷房時の冷媒の流通方向を、また点線の矢印で暖房時の冷媒の流通方向をそれぞれ示す。
かかる空気調和装置において、冷房時には、コンプレッサ1、2で圧縮した高温高圧のガス冷媒が、四方弁7を介して凝縮器として機能する室外機4に至り、室外3に熱を放出しつつ凝縮されて高圧の液冷媒となる。この液冷媒は膨張弁8を介して膨張し、蒸発器として機能する室内機6に至る。この結果、液冷媒が蒸発し、その気化熱で空調空間5の空気を冷却するとともに、低圧のガス冷媒としてコンプレッサ1、2に吸引される。その後、同様の動作を繰り返す。暖房時には、四方弁7で冷媒の流通方向を切換え、コンプレッサ1、2が吐出する高温高圧のガス冷媒を室内機6に供給する。
かかる空気調和装置においては、通常一方のコンプレッサ2は可変能力運転が可能なインバータ制御を行っており、空調負荷の変動に応じてコンプレッサ2の停止/駆動とともに可変能力運転を行っているが、このように2台のコンプレッサ1、2の並列運転により広範囲の空調負荷の変動に対処し得るようにした空気調和装置においては、各コンプレッサ1、2間に油(潤滑油に液冷媒が混入した状態のもの。以下、冷凍機油と称す。)の偏りが生じる。かかる偏在に伴う過剰な冷凍機油はコンプレッサ1、2の効率を低下させてしまうという問題を生起する。
かかる問題を回避すべく、各コンプレッサ1、2間で冷凍機油を平均化するため、通常各コンプレッサ1、2の容器の底部同士を連絡する配管である均油管9を設けている。ただ、均油管9だけでは、運転状態によっては一方に冷凍機油が偏在するということはあり得る。すなわち、両コンプレッサ1、2の冷凍機油を十分平均化することができない場合がある。そこで、適宜油戻し運転を行っている。この油戻し運転とは、各コンプレッサ1、2の一方を停止した状態で、他方を駆動する運転を交互に行う運転モードであり、本来の冷暖房運転の合間に適宜行われる。このように、コンプレッサ1、2を交互にオン/オフすることにより、何れの側に冷凍機油が偏在していてもその平均化を図るべく冷凍機油を移動させることができる。
なお、本願発明に関連する公知技術として次の特許文献1を挙げることができる。
特開2003−214686号公報
上述の如き従来技術においては、本来の冷暖房運転の合間に、この運転モードを中断して油戻し運転を行う必要があるため、その間空調を行うことができず、空調効率が低下するという問題を招来していた。
本発明は、上述の如き要望に鑑み、本来の運転を阻害することなく運転中に適宜冷凍機油の偏在を解消し、この偏在による性能低下を防止して高効率の運転を実現し得るコンプレッサの運転制御方式及び空気調和装置を提供することを目的とする。
上記目的を達成する本発明は次の点を特徴とする。
1) 冷媒を高温高圧のガス冷媒にそれぞれ圧縮して吐出するとともに、可変速運転を可能とする駆動部によって駆動される、相互に並列に接続した複数台のコンプレッサの運転制御方式において、
前記各コンプレッサの容器に貯留されている液冷媒及び潤滑油の混合油である冷凍機油の量をそれぞれ検出する油量検出センサと、
この油量検出センサが出力する油量情報に基づき各コンプレッサの前記冷凍機油が同量となるように前記コンプレッサの前記駆動部の回転数を制御してその冷媒吐出量を調整する制御手段とを有すること。
2) 上記1)に記載するコンプレッサの運転制御方式において、
前記制御手段は、一台のコンプレッサを主コンプレッサとし、他のコンプレッサを従コンプレッサとしてそれぞれの駆動部の回転数を制御する一方、
設定値との偏差に基づきこれが小さくなるように前記主コンプレッサの駆動部の回転速度を制御するとともに、
前記従コンプレッサの油量検出センサが検出する油量が、前記主コンプレッサの油量検出センサが検出する油量に一致するように従コンプレッサの駆動部の回転数を制御するように構成したものであること。
3) 上記1)に記載するコンプレッサの運転制御方式において、
前記制御手段は、設定値との偏差に基づきこれが小さくなるように各コンプレッサの駆動部の回転数を制御するための回転数指令を演算する回転数増減量演算手段と、
各コンプレッサの油量検出センサがそれぞれ検出する油量を比較し、この油量に応じて各コンプレッサに指令する指令回転数の分配比を決定する分配比演算手段と、
前記回転数指令を前記分配比に基づいて分配し、この結果得る分配後の各回転数指令で各コンプレッサの駆動部の回転数を制御する回転数指令手段とを有すること。
4) 上記1)乃至3)に記載する何れか一つのコンプレッサの運転制御方式において、
油量検出センサは、前記コンプレッサの容器内に貯留されている冷凍機油の液面の位置を検出する液面センサで構成したこと。
5) 上記1)乃至3)に記載する何れか一つのコンプレッサの運転制御方式において、
油量検出センサは、前記コンプレッサの容器内に吸入される冷媒の吸入圧力を検出する圧力センサで構成したこと。
6) 上記1)乃至3)に記載する何れか一つのコンプレッサの運転制御方式において、
油量検出センサは、前記コンプレッサの容器内から吐出される冷媒の吐出圧力を検出する圧力センサで構成したこと。
7) 上記1)乃至3)に記載する何れか一つのコンプレッサの運転制御方式において、
油量検出センサは、前記コンプレッサの容器内に吸入される冷媒の吸入温度を検出する温度センサで構成したこと。
8) 上記1)乃至3)に記載する何れか一つのコンプレッサの運転制御方式において、
油量検出センサは、前記コンプレッサの容器内から吐出される冷媒の吐出温度を検出する温度センサで構成したこと。
9) 請求項1乃至請求項3に記載する何れか一つのコンプレッサの運転制御方式において、
油量検出センサは、前記液面センサ、前記吸入圧力を検出する圧力センサ、前記吐出圧力を検出する圧力センサ、前記吸入温度を検出する温度センサ、前記吐出温度を検出する温度センサから選択した複数組のセンサで構成したこと。
10) 空気調和装置の冷媒の循環回路に組み込んだコンプレッサに上記1)乃至9)の何れか一つに記載する運転制御方式を適用すること。
請求項1に記載する発明は、上記1)に記載する通りの構成を有するので、
各コンプレッサの駆動部の回転速度は各コンプレッサの冷凍機油の液量の差に応じて制御することができ、両者の液量を平均化するようなコンプレッサの可変速運転が可能になる。すなわち、本来の運転を継続しつつ冷凍機油の偏在を解消するための実質的な油戻し運転も行うことができる。
したがって、コンプレッサの本来の運転を阻害することなく運転中に適宜冷凍機油の偏在を解消し、この偏在による性能低下を防止して高効率の運転を実現し得る。
請求項2に記載する発明は、上記2)に記載する通りの構成を有するので、
従となるコンプレッサの駆動部の回転速度は各コンプレッサの冷凍機油の液面の位置の差に応じて制御でき、両者の冷凍機油の量を平均化するような従となるコンプレッサの可変速運転が可能になる。この結果、請求項1と同様の効果を奏する。
請求項3に記載する発明は、上記3)に記載する通りの構成を有するので、
各コンプレッサの駆動部の回転速度は、各回転数指令を、各コンプレッサの冷凍機油の油量の差に応じて分割した回転数とするので、両者の油量を平均化するような各コンプレッサの可変速運転が可能になる。この結果、請求項1と同様の効果を奏する。
請求項4に記載する発明は、上記4)に記載する通りの構成を有するので、
液面センサにより各コンプレッサの冷凍機油の油量を検出することができる。
請求項5に記載する発明は、上記5)に記載する通りの構成を有するので、
吸入圧力センサにより各コンプレッサの冷凍機油の油量を検出することができる。
請求項6に記載する発明は、上記6)に記載する通りの構成を有するので、
吐出圧力センサにより各コンプレッサの冷凍機油の油量を検出することができる。
請求項7に記載する発明は、上記7)に記載する通りの構成を有するので、
吸入温度センサにより各コンプレッサの冷凍機油の油量を検出することができる。
請求項8に記載する発明は、上記8)に記載する通りの構成を有するので、
吐出温度センサにより各コンプレッサの冷凍機油の油量を検出することができる。
請求項9に記載する発明は、上記9)に記載する通りの構成を有するので、
各センサの組み合わせ情報により各コンプレッサの冷凍機油の油量を検出することができる。この結果、各センサの出力情報の平均値を採る等の事後的な処理をすることにより、より精確な各コンプレッサの冷凍機油量を検出することができ、その分冷凍機油の偏在を高精度に除去し得る。
請求項10に記載する発明は、上記10)に記載する通りの構成を有するので、
各コンプレッサの冷凍機油の偏在を解消しながら本来の空調運転を行うことができ、その分高効率の空調運転を行うことができる。
本発明に係るコンプレッサの運転制御方式は、それぞれの回転速度が調整可能となっている2台(複数台であれば2台に限定するものではない。)のコンプレッサを有するものである。各コンプレッサの可変能力運転はその回転駆動部に誘導電動機を使用し、これをインバータ制御することにより容易に実現し得る。
この場合、各コンプレッサに、例え同型のものを使用したとしても、量産品であるため多少の性能のバラツキは存在する。すなわち、同じような運転をしたとしても冷凍機油の偏在は避けられない。
本形態では、例えばインバータによる各コンプレッサの可変能力運転が可能になるので、かかる特徴を活かして油の偏在による能力低下を防止するようにした。
具体的には、例えば主とするコンプレッサの容器内に貯留する冷凍機油の量に合わせて、従となるコンプレッサの回転数を変えることにより、各コンプレッサの容器内に貯留する冷凍機油の量を平均化する。このため、各コンプレッサの容器に貯留する冷凍機油の量を検出する必要があるが、これは最も直接的には前記冷凍機油の液面位置を液面検出センサで検出することにより実現できる。
一方、密閉された冷媒回路を冷媒が循環する場合、同容量の各コンプレッサから吐出する冷媒の量が等しければ、各コンプレッサの容器に貯留する冷凍機油の量は平均化されると考えられる。したがって、各コンプレッサからの吐出冷媒量を決定する要素となる物理量を検出すれば、この吐出冷媒量、ひいては前記冷凍機油の油量を推定できる。一方、各コンプレッサの容量が異なる場合でも両者の関係を表す補正係数を予め求めておき、この補正係数で補正した吐出冷媒量が等しくなるように調整すれば各コンプレッサの容器に貯留する冷凍機油の量は平均化される。
ここで、前記吐出冷媒量を決定する要素となる物理量としては、吸入圧力、吐出圧力、吸入温度、吐出温度が考えられる。この場合の、吐出冷媒量は次式で求まるが、当該式において、吐出冷媒量はこれらの物理量の関数となっているからである。
G=ηv(Vs/v1
ηv=A−B(P2/P1
2=t1(P2/P1(n-1/n)
ただし、G:コンプレッサの吐出流量(kg/h)、ηv:体積効率、Vs:コンプレッサの理論吐出量(m3/h)、v1:吸入ガス比体積(m3/kg)(v1はガスによりP1、t1から決まる。)、P1:吸入圧力(Pa)、P2:吐出圧力(Pa)、t1:吸入温度(K)、t2:吐出温度(K)、n:ポリトロープ指数、A,B:試験値
したがって、吸入圧力若しくは吐出圧力を検出する圧力センサ、又は吸入温度若しくは吐出温度を検出する温度センサにより所定の物理量を検出し、各コンプレッサにおける同種の各物理量が同じになるようにコンプレッサの駆動部の回転数を制御する等、一定の関係を有するように各コンプレッサの駆動部の回転数を制御することでそれぞれの冷凍機油の油量を平均化することができる。この場合、勿論異なる種類の複数組の物理量を組み合わせて用いても良い。組み合わせる物理量の数が増えれば増えるほど、精確な吐出冷媒量を推定することができ、その分冷凍機油の油量を良好に平均化することができる。
かかる本発明の実施の形態を、さらに具体的な実施例に基づき説明する。
図1は本実施例1に使用するコンプレッサを概念的に示す説明図である。同図に示すように、コンプレッサ1、2は、内部に冷媒及び冷凍機油10を封入した容器11、圧縮部12及び通称誘導電動機を利用するコンプレッサモータ13を
有しており、吸入口14を介して吸入した冷媒を圧縮し、高温・高圧のガス冷媒として吐出口15を介し四方弁7に向けて吐出する。このとき、圧縮部12は、インバータ制御等による可変速制御の下、コンプレッサモータ13で回転されて冷媒の圧縮を行う。このことにより可変能力運転を可能としている。また、両コンプレッサ1、2は容器11の底部にそれぞれ連通する均油管9で接続してある。
液面センサ16は冷凍機油10の油面位置を検出するもので、コンプレッサモータ13の固定子鉄心の下端面に固着してあり、例えば超音波を下方に向かって発射することにより、前記油面位置を検出するようになっている。
図2は、上記コンプレッサ1、2を組み込んだ本発明の実施例1に係る空気調和装置を示すブロック線図である。同図に示すように、当該空気調和装置における基本的な構成、すなわち冷媒回路自体は図4に示す従来技術と全く同一である。そこで、同一部分には同一番号を付し、重複する説明は省略する。
本実施例1においてはコンプレッサ1を主コンプレッサ、コンプレッサ2を従コンプレッサとして運転するものである。また、何れもその駆動部として誘導電動機を有するものであり、インバータ制御による電流の周波数を調整することによりその回転速度をそれぞれ制御して可変能力運転を実現している。制御部21は、温度センサ22が検出する空調空間5の室内温度Taを表す信号と設定温度SPを表す信号とを比較器23で比較して両者の偏差e1を求め、この偏差e1が減少するようにコンプレッサ1の駆動部の回転数を調整する。すなわち、制御部21が内蔵するインバータの出力周波数Fを偏差e1に応じて適宜調整する。
制御部24は、コンプレッサ1、2の容器内に貯留された冷凍機油の液面位置をそれぞれ検出する液面センサ16(図1参照。)の各出力情報を比較し、両者の差を減少するようにコンプレッサ2の駆動部の回転数を調整する。すなわち、制御部22が内蔵するインバータの出力周波数Fを両コンプレッサ1、2の液面位置の差に応じて適宜調整する。
かかる本実施例1によれば、コンプレッサ1の駆動部の回転速度を設定温度SPと室内温度Taとの差である偏差e1に応じて制御することができるので、空調空間5の温度が設定温度SPになるような、コンプレッサ1、2の可変能力運転を実現して所定の空調を行うことができる。同時に、コンプレッサ2の駆動部の回転速度はコンプレッサ1、2の冷凍機油の液面の位置の差に応じて制御することができるので、両者の液面を平均化するような冷凍機油コンプレッサ2の可変速運転が可能になる。すなわち、空調のための可変能力運転と、冷凍機油の偏在を解消するための油戻し運転とを同時に行うことができる。
図3は本発明の実施例2に係る空気調和装置を示すブロック線図である。本実施例2でも図1に示すコンプレッサ1、2を使用している。また、本実施例2は、前記実施例1に対して制御系の構成が一部異なるだけで、多くの部分が同様の構成となっている。そこで、同一部分には同一番号を付し、重複する説明は省略する。
図3に示すように、制御部31は、温度センサ22が検出する空調空間5の室内温度Taを表す信号と設定温度SPを表す信号とを比較器23で比較して両者の偏差e1を求め、この偏差e1が減少するようにコンプレッサ1、2の駆動部の回転数を調整する。すなわち、制御部31が内蔵する各インバータの出力周波数Fを偏差e1に応じてそれぞれ適宜調整する。この点は、基本的に前記実施例1と同様であるが、本実施例2では、偏差e1を各コンプレッサ1、2の液面に応じて各コンプレッサ1、2の駆動部の回転速度として分配するようになっている。この点が実施例2の特徴である。
すなわち、制御部31は、回転数増減量演算部32、分配比演算部33及び回転数指令部34からなる。回転数増減量演算部32は、偏差e1に基づきこれが減少するように各コンプレッサ1、2の駆動部の回転数を制御するための回転数の増減量を表す回転数増加分(負の増加分も含む。)ΔFに関する情報を出力する。分配比演算部33は、各コンプレッサ1、2の液面センサ16(図1参照)がそれぞれ検出する冷凍機油の液面位置を比較し、この液面位置に応じて各コンプレッサ1、2に指令する回転数指令の分配比kを決定する。回転数指令部34は、前記回転数増加分を前記分配比kに基づいて分配し、この結果得る分配後の各回転数指令で各コンプレッサ1、2の駆動部の回転数を制御する。
かかる本実施例2によれば、コンプレッサ1の駆動部の回転速度を設定温度SPと室内温度Taとの差である偏差e1に応じて制御することができるので、空調空間5の温度が設定温度SPになるような、コンプレッサ1、2の可変能力運転を実現して所定の空調を行うことができる。同時に、コンプレッサ1、2の駆動部の回転速度は、前記偏差e1を減少するための回転数増加分ΔFを、コンプレッサ1、2の冷凍機油の液面の位置の差に応じて分割した回転数とるので、両者の液面を平均化するような冷凍機油コンプレッサ2の可変速運転が可能になる。すなわち、本実施例2によっても空調のための可変能力運転と、冷凍機油の偏在を解消するための油戻し運転とを同時に行うことができる。
なお、上記実施例1、2においては、コンプレッサ1、2が2台の場合について説明したが複数台であれば、特にその数に制限はない。また、冷凍機油10の量を検出するセンサは、液面センサ16に限るものでもない。コンプレッサ1、2の容器内に吸入される冷媒の吸入圧力を検出する吸入圧力センサ、コンプレッサ1、2の容器内から吐出される冷媒の吐出圧力を検出する吐出圧力センサ、コンプレッサ1、2の容器内に吸入される冷媒の吸入温度を検出する吸入温度センサ、コンプレッサ1、2の容器内から吐出される冷媒の吐出温度を検出する吐出温度センサで、その機能を代替し得る。さらには、これら液面センサ、吸入圧力センサ、吐出圧力センサ、吸入温度センサ、吐出圧力センサから選択した複数組のセンサで構成することもできる。
また、上記実施例においては、均油管9を有する構成について説明したが、これに限られるものではなく、均油管9を有しない構成においても、本発明は好適に実施し得るものである。
本発明は複数台のコンプレッサの可変能力運転による負荷に応じた高範囲の運転を行う必要がある熱交換システムに関する産業分野で利用することができる。
本発明の実施例に適用するコンプレッサを概念的に示す説明図である。 本発明の実施例1に係る空気調和装置を示すブロック線図である。 本発明の実施例2に係る空気調和装置を示すブロック線図である。 従来技術に係る空気調和装置の一例を示すブロック線図である。
符号の説明
1、2 コンプレッサ
5 空調空間
9 均油管
10 冷凍機油
11 容器
13 コンプレッサモータ
14 吸入口
15 吐出口
16 液面センサ
21、24 制御部
22 温度センサ
23 比較器
31 制御部
32 回転数増減量演算部
33 分配比演算部
34 回転数指令部

Claims (10)

  1. 冷媒を高温高圧のガス冷媒にそれぞれ圧縮して吐出するとともに、可変速運転を可能とする駆動部によって駆動される、相互に並列に接続した複数台のコンプレッサの運転制御方式において、
    前記各コンプレッサの容器に貯留されている液冷媒及び潤滑油の混合油である冷凍機油の量をそれぞれ検出する油量検出センサと、
    この油量検出センサが出力する油量情報に基づき各コンプレッサの前記冷凍機油が同量となるように前記コンプレッサの前記駆動部の回転数を制御してその冷媒吐出量を調整する制御手段とを有することを特徴とするコンプレッサの運転制御方式。
  2. 請求項1に記載するコンプレッサの運転制御方式において、
    前記制御手段は、一台のコンプレッサを主コンプレッサとし、他のコンプレッサを従コンプレッサとしてそれぞれの駆動部の回転数を制御する一方、
    設定値との偏差に基づきこれが小さくなるように前記主コンプレッサの駆動部の回転速度を制御するとともに、
    前記従コンプレッサの油量検出センサが検出する油量が、前記主コンプレッサの油量検出センサが検出する油量に一致するように従コンプレッサの駆動部の回転数を制御するように構成したものであることを特徴とするコンプレッサの運転制御方式。
  3. 請求項1に記載するコンプレッサの運転制御方式において、
    前記制御手段は、設定値との偏差に基づきこれが小さくなるように各コンプレッサの駆動部の回転数を制御するための回転数指令を演算する回転数増減量演算手段と、
    各コンプレッサの油量検出センサがそれぞれ検出する油量を比較し、この油量に応じて各コンプレッサに指令する指令回転数の分配比を決定する分配比演算手段と、
    前記回転数指令を前記分配比に基づいて分配し、この結果得る分配後の各回転数指令で各コンプレッサの駆動部の回転数を制御する回転数指令手段とを有することを特徴とするコンプレッサの運転制御方式。
  4. 請求項1乃至請求項3に記載する何れか一つのコンプレッサの運転制御方式において、
    油量検出センサは、前記コンプレッサの容器内に貯留されている冷凍機油の液面の位置を検出する液面センサで構成したことを特徴とするコンプレッサの運転制御方式。
  5. 請求項1乃至請求項3に記載する何れか一つのコンプレッサの運転制御方式において、
    油量検出センサは、前記コンプレッサの容器内に吸入される冷媒の吸入圧力を検出する圧力センサで構成したことを特徴とするコンプレッサの運転制御方式。
  6. 請求項1乃至請求項3に記載する何れか一つのコンプレッサの運転制御方式において、
    油量検出センサは、前記コンプレッサの容器内から吐出される冷媒の吐出圧力を検出する圧力センサで構成したことを特徴とするコンプレッサの運転制御方式。
  7. 請求項1乃至請求項3に記載する何れか一つのコンプレッサの運転制御方式において、
    油量検出センサは、前記コンプレッサの容器内に吸入される冷媒の吸入温度を検出する温度センサで構成したことを特徴とするコンプレッサの運転制御方式。
  8. 請求項1乃至請求項3に記載する何れか一つのコンプレッサの運転制御方式において、
    油量検出センサは、前記コンプレッサの容器内から吐出される冷媒の吐出温度を検出する温度センサで構成したことを特徴とするコンプレッサの運転制御方式。
  9. 請求項1乃至請求項3に記載する何れか一つのコンプレッサの運転制御方式において、
    油量検出センサは、前記液面センサ、前記吸入圧力を検出する圧力センサ、前記吐出圧力を検出する圧力センサ、前記吸入温度を検出する温度センサ、前記吐出温度を検出する温度センサから選択した複数組のセンサで構成したことを特徴とするコンプレッサの運転制御方式。
  10. 冷媒の循環回路に組み込んだコンプレッサに前記請求項1乃至請求項9の何れか一つに記載する運転制御方式を適用することを特徴とする空気調和装置。
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